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  小型电子油门控制系统的设计

  摘要:为提高小型发动机转速调节时的舒适性和控制精度,设计以电子控制器为核心的小型 电子油门控制系统。该电子油门控制系统具有远程管理,发动机转速自动控制,整机电气故障检测 和报警等功能,能极大地提高小型的操作舒适性和发动机转速的控制精度,避免发动机在工作中出 现转速偏移现象,并可降低小型的工作油耗,达到节能减排的效果。

小型小型挖掘机电子油门控制系统的设计


  由于国产起步较晚,在机、电、液_体化 新技术的应用方面与国外同行业相比还存在很大 差距,特别是小型,由于成本的限制,现在国 内一些小型仍采用机械拉杆式油门控制系 统,该控制系统存在操作舒适性差,控制精度低,油 耗高,在工作中容易出现发动机转速偏移等缺点。

  本文介绍_种新的小型电子油门控制系 统,该系统具有成本低,操作简单,控制精度高,可靠

  性高和操作舒适等优点,更重要的是,该系统可降低 小型的工作油耗,达到节能减排的效果。

  1电子油门控制系统原理

  电子油门控制系统由传感器和开关信号采集 系统、控制器、执行元件、显示器和远程管理终端等 部分构成,如图1所示。

  控制器是电子油门控制系统的核 心部件,控制器采集开关量信号和模拟量信号,然 后对这些信号进行分析和整合,并通过执行元件对

  发动机的转速进行控制和调节。通过CAN总线将控 制器、显示器和远程管理终端3者连接起来。控制 器将采集到的整车的各种信息发送到显示器和远

  程管理终端,显示器和远程管理终端将接收到的各 种整车信息分别显示在显示器上以及传送到远程 数据管理中心,让用户不仅能够随时了解小型挖掘 机的工作状态,而且可以通过显示器和远程数据管 理中心对控制器进行控制和管理,从而实现对小型 施工作业的优化管理。

小型小型挖掘机电子油门控制系统的设计


  2电子油门控制系统功能模块设计

  2.1输入模块设计

  输入模块是电子油门控制系统的基本功能模 块,主要接收开关量信号、脉冲信号和模拟量信号。 开关量信号主要包括发动机机油压力信号、发动机 进气压力信号、手/脚先导压力信号以及手动/自动 怠速信号等信号;脉冲信号主要包括发动机转速信 号;模拟量信号主要包括燃油油量信号、发动机水 温信号、液压油温信号、压力变送器信号以及油门 挡位旋钮信号。

  发动机水温信号、转速信号、机油压力信号和进 气压力信号主要用于监控发动机的工作状态,并作 为控制器控制时的参考量。

  压力变送器信号、手/脚先导压力信号和液压油 温信号主要用于监控液压系统的工作状况。

  油门挡位旋钮信号用于调节小型的工 作挡位,挡位信号是0~5 V的模拟量信号,不同的电 压值代表不同的工作挡位,电压越高,代表小型挖 掘机工作的挡位越高。

  当手动怠速信号使能后,若发动机的工作转速 高于所设定的怠速点转速,发动机的转速将强制性 地下降到设定的怠速点转速。

  当自动怠速信号使能后,若发动机的工作转速 高于所设定的怠速点转速,且小型在设定的 时间内没有任何动作时,发动机的转速将自动下降 到怠速点转速,但只要小型恢复动作或调节 挡位,发动机转速就会自动地恢复到怠速前的转速 或新挡位所对应的转速。

  2.2数据通信模块

  小型上的数据通信主要是控制器、显示 器和远程管理终端3者之间的通信,主要包括CAN 通信和串口通信。通过CAN总线将控制器、显示器 和远程管理终端作为CAN总线上的3个节点相互

  连接,从而实现3者相互之间的数据传输和通信。 CAN总线强大的抗干扰能力和检错能力,提高了数 据传输的准确率和可靠性。

  串口通信则主要应用于控制器内MCU程序的 擦写。

  2.3控制器的设计 2.3.1控制器硬件设计

  由于小型所处的工作环境_般比较恶 劣、复杂,因此,本系统控制器的核心芯片选用工业 级的PIC18LF458-I/PT型微控制芯片。该芯片是 M icrochip公司推出的一款功能强,功耗低的高性价 比8位微控制芯片。该芯片带有1路CAN通道,8 路10位AD转换通道(实现对模拟量的采集),2路 脉宽调制(PWM)通道(对执行元件进行控制)。该芯 片可对输入信号中的开关量、模拟量信号进行采集 和处理,以及对数据进行实时存储,通过CAN总线 接口可实现与小型功能模块CAN节点间的 数据通信,并可以通过远程管理终端,将采集到的 各种监测数据实时传递至远程数据管理中心,实现 对小型的实时监控和管理。

小型小型挖掘机电子油门控制系统的设计


  2.3.2控制算法设计2]

  当控制器采集到油门挡位旋钮发出的新的挡 位信号后,通过计算得出新挡位所对应的发动机转 速,再和控制器所采集的发动机的实际转速进行比 较,计算出实际转速和目标转速的差值,然后根据 控制器所设定的控制算法,通过执行元件对发动机 的油门调节杆进行调节,使发动机的转速达到目标 转速。目前,发动机转速控制方式主要有模糊控制, PID控制和神经网络控制3种,其中以模糊控制和 PID控制应用最为普遍。

  (1)模糊控制气模糊控制是指利用自然语言描 述人的经验,将系统信息经过模糊化处理,通过模 糊逻辑关系的推理合成,产生相应的模糊决策。其 优点在于:

  1)控制系统设计时不要求知道被控对象的精 确数学模型,只需要提供现场操作人员的经验知识 及操作数据;

  2控制系统的鲁棒性强,适用于解决常规控制 难以解决的非线性、时变及大滞后系统。

  发动机转速与目标转速调整的差值进行模糊控制。 根据发动机转速和实际转速的不同差值,依照经验 输出不同的PWM占空比信号,控制执行元件调节 发动机的转速。通过实际测试发现,当实际转速和 目标转速的差值较大时,控制器通过输出一个大占 空比的PWM信号驱动执行元件快速地对发动机转 速进行调节,使发动机转速以很快的速度向目标转 速逼近,当实际转速调节到目标转速附近时,由于 执行电机的转动惯性的影响,会出现发动机转速在 目标转速附近来回振荡的情况,从而影响发动机转 速的调节效果。

  (2 PID控制。PID控制是比例积分微分控制的 简称,该算法以结构简单,稳定性好,工作可靠,调 整方便而成为工业控制的主要方式之_。当被控对 象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数 学模型,控制系统控制器的结构和参数必须依靠经
验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为 方便。即当设计者不完全了解一个系统和被控对象 或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最 适合选用PID控制技术。

  (3 PID控制+模糊控制。本系统将上述两种 控制方法的优缺点进行分析和总结,采用在PID控 制的基础上添加模糊控制的控制方式。PID控制+ 模糊控制流程图见图4。该控制方式根据实际转速 和目标转速的偏差大小来确定采用PID控制+模

  糊控制的方法还是采用单独的PID控制方法。当实 际转速和目标转速的偏差很大时,控制器自动地将 整个转速调节过程划分为两个阶段:一段采用模糊 控制,另外一段采用PID控制(PID控制+模糊控 制);当实际转速和目标转速的偏差较小时,控制器

  就只采用PID控制。这样就可以避免采用单一控制 方法所带来的不良影响。试验验证表明,PID控制+ 模糊控制很好地解决了单独采用两种控制方式时 的不足之处,可使发动机转速又好又快地向目标转 速逼近,实现发动机转速的平稳控制。

  2.3.3控制故障检测和报警设计

  控制器能够对输入信号源和输出控制对象的 状态进行监测,即具有故障检测和报警功能。当信 号源和输出控制对象出现断路、短路和过流等故障 时,控制器会根据出现故障的等级执行相应的保护 程序,以免对小型及其电子部件造成更大的 损坏,同时通过控制器上的工作状态指示灯和显示 器进行故障代码显示,提示操作手停机报修。挖掘 机服务维修人员通过查阅控制器产品说明书中的 故障代码说明,即可为小型提供维修保养。 2.4输出模块

  控制器的输出控制对象是调节发动机油门调 节杆的执行元件。控制器通过控制执行元件来调节 发动机的油门调节杆以实现对发动机转速的调节, 因此电子油门控制系统需要_个可靠性和稳定性 高的控制方案,以防止在转速调节过程中由于对执 行元件的控制方式不合适,而出现发动机转速忽高 忽低,以及在目标转速附近上下波动的情况。

  控制器通过调节PWM占空比来调节发动机转 速变化的快慢,由于执行元件的驱动电流需要大于 300mA,而PIC18LF458-I/PT型微控制芯片的输出 信号电流只有25 mA,因此系统需要采用功率放大 芯片来驱动执行元件。控制器输出的PWM信号作 为控制信号对功率放大芯片进行控制。

 


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